Calorimètre - ENS de Lyon

Propriétés de la matière
Material properties
Réf :
253 081
Français – p 1
English – p 6
Version : 2104
Calorimètre à vase Dewar
Dewar flask calorimeter
Propriétés de la matière
Calorimètre à vase Dewar
Ref :
253 081
1 Description
Le calorimètre est constitué d’un vase en verre double paroi brillantée sous
vide d’air, recouvert d’une enveloppe extérieure en plastique, d’un vase de
protection intérieure en plastique et d’un couvercle de fermeture.
Le couvercle du calorimètre est composé des éléments suivants :
•
•
•
*nota : si l’introduction du
thermomètre est difficile,
utiliser un peu de graisse
pour faciliter le passage et
éviter les risques de casse
accidentelle.
1 agitateur en plastique guidé, à section rectangulaire, imperdable,
1 passage ∅ 11 mm pour un thermomètre ou une sonde,
1 guide ∅ 6 mm pour un thermomètre à dilatation ou une sonde
thermique,
• 1 ouverture centrale circulaire obturable par un couvercle pour
l’introduction des résistances,
• 2 résistances 2 et 4 Ω montées en série sur tiges aluminium gainées,
reliées à un couvercle isolant à douilles de sécurité ∅ 4mm.
Pour effectuer les mesures de température, le calorimètre peut s’utiliser avec :
• un thermomètre à dilatation en verre assez long*,
• une sonde de température de diamètre inférieur à 7 mm, comme le
®
®
Thermomètre Initio réf. 251 040 ou le Thermomètre Initio SA à
sortie analogique réf. 251 045 (un clip de fixation de la sonde
thermique est prévu pour ces 2 appareils).
2 Caractéristiques techniques
•
Volume utile :
950 ml
•
Dimensions intérieures du vase :
∅ = 85 mm x 180 mm
•
Dimensions extérieures :
∅ = 130 mm x 270 mm
•
Capacité thermique :
négligeable, < 30 J/°C
(avec vase de protection)
• Alimentation :
12 V maxi en continu
Attention !! Les résistances doivent impérativement être immergées
lorsqu’elles sont alimentées.
FRANÇAIS
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Propriétés de la matière
Calorimètre à vase Dewar
Ref :
253 081
3 Propriétés adiabatiques
3.1 Inertie thermique
La fonte d’un glaçon dans 250 mL d’eau abaisse la température dans
l’enceinte.
Température ambiante : 20°C
Température dans le calorimètre après fusion : 13,3°C
L’écart de température initial entre le milieu extérieur et l’enceinte
calorimétrique est 6,7°C.
temps
T (°C)
∆T(°C)
0
13,3
0
1h
14,2
0,9
2h
14,9
1,6
3h
15,5
2,2
4h
16
2,7
5h
16,3
3,0
7h
17
3,7
10 h
17,5
4,2
Les expériences calorimétriques ne durant que quelques minutes, on peut
considérer que le calorimètre est parfaitement adiabatique (isolé) pour un
écart de température de ± 5°C entre les températures ambiante et intérieure.
3.2 Déperdition de chaleur
Nous avons établi la courbe de déperdition de chaleur du calorimètre avec
200g
d’eau,
la
température
ambiante
étant
de
25°C.
FRANÇAIS
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Propriétés de la matière
Calorimètre à vase Dewar
Ref :
253 081
température (°C)
Décroissance de la température en
50 minutes
90
85
80
75
70
65
60
55
50
0
5
10 15 20 25 30 35 40 45
temps (minute)
Entre 85 et 72 °C, la décroissance de température e st de 1,8 °C par minute,
en moyenne.
En-dessous de 70°C, la décroissance reste quasiment constante à 0,27 °C
par minute sur toute la plage de mesure.
La perte de chaleur reste donc très faible compte-tenu des paramètres
expérimentaux :
• on se situe à plus de 20 °C de la température ambi ante,
ème
du volume utile du
• le volume d’eau représente seulement 1/5
calorimètre.
4 Manipulations
4.1 Capacité thermique du calorimètre
Dans le calorimètre on met 250 mL d’eau (froide) à 20,7°C ( θ1).
On verse 250 mL d’eau chaude à 55,2°C ( θ2) dans l’eau du calorimètre. La
température finale est 37,7°C ( θeq).
D’après la formule suivante,
il est possible de
déterminer la capacité
thermique du
calorimètre sachant que Ceau = 4187 J/Kg/°C.
On montre ainsi que celle-ci, avec l’enveloppe protectrice en plastique, est de
32,05 J/°C.
FRANÇAIS
3
Propriétés de la matière
Calorimètre à vase Dewar
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Variation de la quantité de chaleur avec l’intensité
Mettre dans la cuve du calorimètre une masse m (300 g environ) d’eau.
Plonger la résistance et les accessoires du calorimètre et relever sur le
thermomètre la température de l’ensemble.
Constituer un circuit comprenant en série une source de courant, un
ampèremètre, un rhéostat et la résistance.
Fermer le circuit en commençant à compter le temps. Relever l’intensité sur
l’ampèremètre.
Laisser le courant pendant un temps t. Recommencer l’expérience plusieurs
fois en modifiant l’intensité.
La quantité de chaleur s’exprime par : Q = mC.(θ2 - θ1)
Avec :
m la masse de l’eau
C la chaleur massique de l’eau
θ1 la température initiale
θ2 la température finale
Si I1, I2, et I3 sont les différentes intensités mesurées, on vérifie que les
rapports Q1, Q2 … des quantités de chaleur dégagée sont entre elles comme
les carrés des intensités mesurées.
4.2 Variation de la quantité de chaleur avec le
temps
Faire plusieurs relevés de température θ1 à intervalles réguliers.
Calculer les quantités de chaleur dégagée : Q = mC.(θ2 - θ1)
On constate que les quantités de chaleur dégagée sont proportionnelles aux
temps séparant le début de l’expérience de chacune des lectures.
4.3 Variation de la quantité de chaleur avec la
résistance
Refaire l’expérience dans les mêmes conditions d’intensité et de temps en
utilisant successivement les 3 valeurs de résistance R1, R2, R3.
4.4 Détermination du rapport W
Faites passer le courant pendant un temps t secondes. La quantité d’énergie
dégagée est W = RI² x T, en Joule. En faisant le rapport W/Q, vous devez
trouver un nombre voisin de 4 (J = 4.18).
4.5 Mesure de la chaleur massique des liquides
Une application intéressante de la loi de Joule est de mesurer la chaleur
massique de différents liquides.
FRANÇAIS
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Propriétés de la matière
Calorimètre à vase Dewar
Ref :
253 081
On obtient une élévation de température θ1.
Remplacer l’eau par un autre liquide et refaites l’expérience avec la même
résistance, la même intensité et pendant le même temps. L’élévation de
température est θ1.
La chaleur massique liquide M se calcule avec la formule : C / m = θ1 / θ2.
5 Service après-vente
La garantie est de 2 ans, le matériel doit être retourné dans nos ateliers.
Pour toutes réparations, réglages ou pièces détachées, veuillez contacter :
JEULIN - SUPPORT TECHNIQUE
Rue Jacques Monod
BP 1900
27 019 EVREUX CEDEX FRANCE
0 825 563 563*
*0,15€ TTC / min à partir d’un poste fixe
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Material properties
Dewar flask calorimeter
Ref :
253 081
1 Description
The calorimeter is made up of a double-walled glass flask bright dipped in
vacuum, covered with a plastic outer cover, an internal plastic vessel and a
closing cover.
The calorimeter’s cover consists of the following elements:
• 1 guided non-removable plastic stirrer, with a rectangular crosssection
• 1 ∅ 11 mm port for a thermometer or a probe
• 1 ∅ 6 mm guide for an expansion thermometer or a temperature
probe
• 1 central circular opening that can be plugged by a cover to insert
resistances
• Two 2 and 4 Ω resistances connected in series on sheathed
aluminium rods, connected to an insulating cover with ∅ 4mm safety
plugs.
*Noted: if the introduction of
the thermometer is difficult, to
use a little Vaseline to
facilitate the passage and
avoid the risks of accidental
breakage.
To make temperature measurements, the calorimeter can be used with :
•
•
A fairly long glass expansion thermometer*
A temperature probe with a diameter less than 7 mm, such as the
®
®
Initio Thermometer part no. 251 040 or the Initio SA
Thermometer with analog output part no. 251 045 (a retaining clip
for the temperature probe is provided for these 2 devices).
2 Technical characteristics
•
Effective volume:
950 ml
•
Internal dimensions of the vessel:
∅ = 85 mm x 180 mm
•
External dimensions:
∅ = 130 mm x 270 mm
•
Heat capacity:
negligible, < 30 J/C°
(with protective vessel)
•
Power supply:
12 V max DC
Caution!! The resistances must always be submerged when they are powered
on.
ENGLISH
6
Material properties
Dewar flask calorimeter
Ref :
253 081
3 Adiabatic properties
3.1 Thermal inertia
The melting of an ice cube in 250 ml of water lowers the temperature in the
enclosure.
Ambient temperature: 20°C
Temperature in the calorimeter after fusion: 13.3°C
The initial temperature difference between the surroundings and the
calorimetric enclosure is 6.7°C.
time
T (°C)
∆T(°C)
0
13.3
0
1h
14.2
0.9
2h
14.9
1.6
3h
15.5
2.2
4h
16
2.7
5h
16.3
3.0
7h
17
3.7
10 h
17.5
4.2
As calorimetric experiments last only a few minutes, we can consider that the
calorimeter is perfectly adiabatic (insulated) for a temperature difference of ±
5°C between the ambient and internal temperatures.
3.2 Heat loss
We have established the heat loss curve of the calorimeter with 200 g of
water, the ambient temperature being 25°C .
ENGLISH
7
Material properties
Dewar flask calorimeter
Ref :
253 081
Temperature (°C)
Decrease in temperature over
50 minutes
90
85
80
75
70
65
60
55
50
0
5
10 15 20 25 30 35 40 45
Time (minutes)
Between 85 and 72 °C, the decrease in temperature i s 1.8 °C per minute, on
an average.
Below 70°C, the decrease remains almost constant at 0.27 °C per minute over
the entire measuring range.
The loss of heat therefore remains low considering the experimental
parameters:
•
We are located more than 20 °C above the ambient t emperature
•
The volume of water represents only 1/5 of the calorimeter’s effective
volume.
th
4 Experiments
4.1 Heat capacity of the calorimeter
We pour 250 ml of water (cold) at 20.7°C in the cal orimeter
We then pour 250 ml of hot water at 55.2°C in the c alorimeter. The final
temperature is 37.7°C.
According to the following formula,
it is possible to determine the heat
capacity of the calorimeter knowing
that Cwater = 4187 J/Kg/°C.
We show that the heat capacity of the calorimeter with the plastic protective
jacket is 32.05 J/°C.
ENGLISH
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Material properties
Dewar flask calorimeter
Ref :
253 081
4.2 Variation of the quantity of heat with the
intensity
Place a mass m (about 300 g) of water in the vessel of the calorimeter.
Immerse the resistance and the accessories of the calorimeter and record the
temperature of the assembly on the thermometer.
Prepare a circuit that includes a current source, an ammeter, a rheostat and
the resistance in series.
Switch on the power and start marking time. Note down the current on the
ammeter.
Let the current flow for a time t. Repeat the experiment several times by
changing the current.
The quantity of heat is expressed by:
with :
Q = m.C.(θ2 - θ1)
m the mass of water
C the specific heat of water
θ1 the initial temperature
θ2 the final temperature
If I1, I2, and I3 are the different intensities measured, we can verify that the
ratios Q1, Q2, etc. of the quantities of heat released are proportional to the
squares of the measured currents.
4.3 Variation of the quantity of heat with time
Take several temperature readings θ1 at regular intervals.
Calculate the quantities of heat released: Q = m. C. (θ2 - θ1).
We observe that the quantities of heat released are proportional to the time
intervals separating the start of the experiment from each of the readings.
4.4 Variation of
resistance
the
quantity
of
heat
with
Repeat the experiment under the same current and time conditions by
successively using the 3 resistance values R1, R2, R3.
4.5 Determining the ratio W
Let the current flow for a time of t seconds. The quantity of energy released is
W = RI² x T, in Joules. By calculating the ratio W/Q, you will find a number that
is close to 4 (J = 4.18).
4.6 Measuring the specific heat of liquids
An interesting application of Joule’s law is to measure the specific heat of
various liquids.
We obtain an increase in temperature θ1.
ENGLISH
9
Material properties
Dewar flask calorimeter
Ref :
253 081
Replace water with another liquid and repeat the experiment with the same
resistance, the same current and for the same duration. The rise in
temperature is θ1.
The specific heat of the liquid M may be calculated using the formula :
C / m: = θ1 / θ2.
5 After-Sales Service
This material is under a two year warranty and should be returned to our
stores in the event of any defects.
For any repairs, adjustments or spare parts, please contact:
JEULIN - TECHNICAL SUPPORT
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BP 1900
27 019 EVREUX CEDEX FRANCE
02 32 29 40 50
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